DE4429911B4

DE4429911B4 - Spiralkompressor

Info

Publication number: DE4429911B4
Application number: DE4429911A
Authority: DE
Inventors: Kiyohiro Kariya Yamada; Masao Kariya Iguchi; Izuru Kariya Shimizu; Yasushi Kariya Watanabe
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 1993-08-23
Filing date: 1994-08-23
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2014-08-24
Also published as: US5468130A; JPH0763181A; TW387510U; JP3561929B2; KR950006255A; KR0146866B1; DE4429911A1

Abstract

Spiralkompressor mit einem bewegbaren Element (7), das auf einem festen Element (1) gleitet, wobei das bewegliche Element (7) aus einer Aluminiumlegierung mit einer Beschichtung hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass
eine innere Schicht (18) das bewegliche Element (7) bedeckt, die aus einer Nickel-Phosphor(Ni-P)-Legierung hergestellt ist, und
eine äußere Schicht (19) vorgesehen ist, die die innere Schicht (18) bedeckt und das feste Element (1) berührt, wobei die äußere Schicht (19) aus einer Nickel-Phosphor-Silizium-Nitrid(Ni-P-5i₃-N₉)- oder Nickel-Phosphor-Bor-Nitrid (Ni-P-BN)- oder Nickel-Phosphor-Kobalt (Ni-P-Co)-Legierung hergestellt ist, wobei beide Schichten (18, 19) durch Plattieren hergestellt sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Spiralkompressor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Herkömmliche Spiralkompressoren umfassen im allgemeinen eine feste Spirale und eine bewegliche Spirale, die mit der festen Spirale im Eingriff ist. Wenn die bewegliche Spirale die Umlaufbewegung (im folgenden „Umlauf" genannt) durchführt, während das Spiralelement der beweglichen Spirale mit dem Spiralelement der festen Spirale im Eingriff ist, wird Kühlgas zwischen der beweglichen Spirale und der festen Spirale komprimiert. Bei den jüngsten Spiralkompressoren läuft die bewegliche Spirale mit hoher Geschwindigkeit, um die Ausströmkapazität des Kompressors zu erhöhen. Zur Gewährleistung eines ruhigen Umlaufs der , beweglichen Spirale kann die bewegliche Spirale aus leichten Materialien, wie bspw. Aluminium, gebildet sein.

Der Verschleißwiderstand von Aluminium ist jedoch relativ gering. Die Ausbildung von Schichten auf den Oberflächen von beiden Spiralen wurde vorgeschlagen, um den Verschleißwiderstand der aus Aluminium hergestellten beweglichen Spirale zu verbessern.

Die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 5-86483 offenbart einen Aufbau, bei dem die Oberfläche der beweglichen Spirale des Spiralkompressors durch Anwenden von Plattieren beschichtet ist. Wie in 8 gezeigt ist, bedeckt gemäß diesem Aufbau eine innere Nickel-Phosphor-Legierungs-Plattierschicht 22, die Silikon-Kohlenstoffpartikel enthält, die Oberfläche der aus Aluminium hergestellten, beweglichen Spirale 7. Die Oberfläche der inneren Schicht 23 ist mit einer äußeren Nickel-Phosphor-Legierungsschicht 23 bedeckt. Die Nickel-Phosphor-Legierung hat eine gute Haftkraft auf der Aluminiumlegierung. Aufgrund der relativ geringen Härte der äußeren Nickel-Phosphor-Legierungsschicht 23 hat die Schicht 23 jedoch einen geringen Verschleißwiderstand.

Weiterhin offenbart die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 3-92590 einen Aufbau, bei dem eine Nickel-Phosphor-Legierung eine Kontaktfläche einer festen Spirale oder einer beweglichen Spirale durch Verwendung von chemischen Plattieren beschichtet. Die plattierte Oberfläche hat ebenso geringen Verschleißwiderstand.

Aus der DE 43 33 148 A1 ist ein Spiralkompressor bekannt, der ein bewegliches Element aufweist, das auf einem festen Element gleitet, wobei das bewegliche Element aus Aluminium hergestellt ist und mittels Plattieren mit einer Schutzschicht versehen ist. Diese Schutzschicht kann aus einer Nickel-Phosphor- oder Nickel-Bor-Legierung bestehen.

Das Dokument JP 63-259082 A beschreibt ein Plattierungsverfahren, bei dem ein Aluminiumteil mit einer Zinnschicht versehen wird und auf diese Zinnschicht eine Nickel-Phosphor-Schicht aufgebracht wird.

Aus dem Dokument JP 63-100284 A ist ein Verfahren bekannt, bei dem mittels Galvanisieren auf einen Teil einer Pumpe eine innere Schicht aus Ni-Sn-P aufgebracht wird und eine äußere Schicht aus Ni-W-B oder Ni-W-P aufgebracht wird, um das Teil gegen Korrosion zu schützen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Spiralkompressor mit einem beweglichen Element zu schaffen, das aus einer Aluminium-Legierung hergestellt ist und eine Beschichtung aufweist, die bei hoher Betriebsdauer zuverlässig einen reibungsarmen Betrieb des Spiralkompressors gewährleistet.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele zusammen mit den beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine teilweise vergrößerte Querschnittsansicht, die einen Spiralkompressor gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
2 eine Seitenquerschnittsansicht, die eine bewegliche Spirale des Spiralkompressors zeigt;
3 eine Seitenquerschnittsansicht, die den gesamten Spiralkompressor zeigt;
4 eine perspektivische Explosionsansicht, die den Kompressor teilweise zeigt;
5 eine Schnittansicht entlang der Linie 5-5 von 3, die die Anordnung von Zapfen und Löchern des Kompressors darstellt;
6 eine Schnittansicht, die die Anordnung der Zapfen und Löcher zeigt, nachdem die Antriebswelle des Kompressors um 180° gegenüber einer in 5 dargestellten Position gedreht ist;
7 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen den Dicken und den Abziehwiderstand der Plattierschichten zeigt und
8 eine teilweise vergrößerte Querschnittsansicht, die herkömmliche Plattierschichten zeigt.
Ein Spiralkompressor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die 1 bis 7 beschrieben. Wie in 3 gezeigt ist, ist ein Frontgehäuse 2 an einer festen Spirale 1 befestigt, die aus einer Aluminiumlegierung hergestellt ist und als Mittengehäuse 1d dient. Eine Drehwelle 3 ist drehbar in dem Frontgehäuse 2 gelagert, wobei eine Exzenterwelle 4 an der Drehwelle 3 befestigt ist.
Ein Ausgleichsgewicht 5 und eine Laufbuchse 6 sind durch die Exzenterwelle 4 gestützt. Eine aus Aluminium hergestellte, bewegliche Spirale 7 ist in drehbarer Weise durch die Laufbuchse 6 über Radiallager 8 gelagert. Die bewegliche Spirale 7 ist im Eingriff mit der festen Spirale 1. Die feste Spirale 1 weist eine Grundplatte 1a und ein Spiralelement 1b auf, das einstückig mit der Grundplatte 1a ausgebildet ist. Die bewegliche Spirale 7 weist ebenfalls eine Grundplatte 7a und ein Spiralelement 7b auf, das einstückig mit der Grundplatte 7a ausgebildet ist.
Ein Nabenabschnitt 7c ist einstückig mit der Grundplatte 7a der beweglichen Spirale 7 ausgebildet. Der Nabenabschnitt 7c ist an die Lagerbuchse 6 angepasst. Durch die Grundplatten 1a und 7a und die Spiralelemente 1b und 7b sind Kompressionskammern P gebildet. Das Volumen der Kompressionskammer P nimmt ab, wenn die Kammer in Richtung auf den Mittelpunkt vom Umfangsabschnitt des Kompressors während des Umlaufs der beweglichen Spirale 7 verschoben wird.
Die Rückfläche der Grundplatte 7a weist eine bewegliche Wand 7d auf. Die innere Oberfläche des Frontgehäuses 2 weist eine feste Wand 2a auf. Ein Drehverhinderungsmechanismus K, der zwischen den Wänden 7a und 2a angeordnet ist, verhindert die Rotation der beweglichen Spirale 7 um ihre Achse, aber gestattet deren Umlauf. Dieser Rotationsverhinderungsmechanismus K hat eine Vielzahl von zylindrischen Ansätzen (vier in diesem Ausführungsbeispiel) 10, die auf der festen Wand 2a eingepasst sind, exzentrisch zu den Ansätzen 10 in einem vorbestimmten Abstand.
Zwischen den Ansätzen 10 und den Ansätzen 11 liegend ist ein Ring 9 aus Aluminiumlegierung, wie in 4 gezeigt ist. Dieser Ring 9 hat eine Vielzahl von Durchgangslöchern (vier in diesem Ausführungsbeispiel) 9a, durch die Zapfen 12 bis 15 fest eingepasst sind. Die Zapfen 12 bis 15 sind in losem Eingriff mit Löchern 10a der Ansätze 10 und Löchern 11a der Ansätze 11. Druckaufnahmeelemente 9b sind einstückig mit dem Ring 9 an Vorder- und Rückflächen des Ringes mit gleichmäßigen Abständen einstückig ausgebildet.
Die Druckaufnahmeelemente 9b übertragen den Druck in den Kompressionskammern P von der beweglichen Wand 7d auf die feste Wand 2a. Jedes Druckaufnahmeelement 9b hat eine Gleitfläche 9c, in der eine schmale Öffnung 9d zum Aufbewahren von Schmieröl ausgebildet ist. Eine Vielzahl von flachen Vertiefungen 9e sind zwischen den Druckaufnahmeelementen 9b in dem Ring 9 ausgebildet, so dass Kühlgas von den Vertiefungen 9e zwischen den Zapfen 12 bis 15 und den Löchern 10a und 11a zugeführt wird.
Ein nicht dargestellter Saugkanal ist in dem Frontgehäuse 2 ausgebildet und eine Saugkammer S ist zwischen der beweglichen Spirale 7 und dem Frontgehäuse 2 gebildet. Ein Rückgehäuse 16 ist fest mit der Rückseite der festen Spirale 1 verbunden, um eine Auslasskammer D zu bilden. Ein Auslassloch 1c ist in der Grundplatte 1a gebildet. Ein Auslassventil 17 zum Öffnen und Schließen des Auslasslochs 1c ist in der Auslasskammer D vorgesehen. Ein Auslasskanal 16a ist in dem Rückgehäuse 16 ausgebildet.
Ein Beschichtungsaufbau, der bei der beweglichen Spirale 7 angewendet wird, wird nun hauptsächlich unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschrieben.
Eine Verbundplattierschicht M ist auf den Oberflächen der Grundplatte 7a, des Spiralelements 7b und des Nabenabschnitts 7c der beweglichen Spirale 7 ausgebildet. Diese Verbundplattierschicht M weist eine innere Plattierschicht 18 und eine äußere Plattierschicht 19 auf. Die innere Schicht, die aus Nickel-Phosphor(Ni-P)-Legierung hergestellt ist, ist auf der Oberfläche der beweglichen Spirale 7 ausgebildet, die aus einem Aluminiumlegierungsbasismetall hergestellt ist. Die äußere Schicht 19 ist auf der Oberfläche der inneren Schicht 18 gebildet.
In diesem Ausführungsbeispiel enthält das Aluminiumlegierungsbasismetall für jede der Spiralen 1 und 7 8,5 bis 13,5 Gew.-% von Silikon (Si), 4,0 bis 6,0 Gew.-% Kupfer (Cu), 0,5 bis 1,0 Gew.-% Magnesium (Mg), und 79,5 bis 87,0 Gew.-% Aluminium. Nickel-Phosphor(Ni-P)-Legierung Nickel-Phosphor-Legierung enthält 91 bis 92 Gew.-% Nickel und 8 bis 9 Gew.-% Phosphor. Die innere Schicht hat eine hervorragende Haftkraft an dem Aluminiumlegierungsbasismetall und eine Haftschicht 20 ist zwischen der inneren Schicht 18 und dem Basismetall ausgebildet. Die äußere Schicht 19 hat ebenfalls eine hervorragende Haftkraft an der inneren Schicht 18 und eine Haftschicht 21 ist zwischen den beiden Schichten 18 und 19 ausgebildet. Weiterhin hat die äußere Schicht 19 eine Steifigkeit oder Härte, die größer ist als die Härte von sowohl der inneren Schicht als auch dem Basismetall und hat einen hervorragenden Verschleißwiderstand gegenüber der festen Spirale 1. Die Dicke T₁ der äußeren Schicht 19 wird geringer eingestellt als die Dicke T₂ der inneren Schicht 18. Vorzugsweise nimmt die Dicke der äußeren Schicht um 5 um gegenüber der Dicke der inneren Schicht ab, wenn die Dicke der inneren Schicht im Bereich zwischen 10 bis 25 um liegt.
Wenn sich die Drehwelle 3 dreht, läuft in dem so zusammengesetzten Spiralkompressor die Exzenterweller 4 um und die bewegliche Spirale 7 läuft um die Drehwelle 3, während ihre Drehung durch den Drehverhinderungsmechanismus K verhindert ist. Folglich strömt das Kühlgas, das von dem (nicht gezeigten) Saugkanal in die Saugkammer S geleitet wird, in jede der Kompressionskammern P zwischen den Spiralen 1 und 7. Die Kompressionskammer P verringert ihr Volumen, während die bewegliche Spirale 7 ihre Umlaufbewegung durchführt. Gleichzeitig wird die Kompressionskammer P in Richtung auf die Mittenabschnitte der Spiralelemente 1b und 7b verschoben. Folglich wird das Kühlgas in der Kompressionskammer P komprimiert, deren Volumen reduziert wurde und wird dann in die Auslasskammer D über das Auslassloch 1c in der Grundplatte 1a ausgelassen.
In der in 5 gezeigten Lage sind vordere Endabschnitte der Zapfen 12 bis 15 mit den untersten Bereichen der Löcher 10a der Ansätze 10 auf der Festseite im Eingriff. Die hinteren Endabschnitte der Zapfen 12 bis 15 sind mit den obersten Bereichen der Löcher 11a der Ansätze 11 auf der beweglichen Seite im Eingriff. Die Lagerbuchse 6 und die bewegliche Spirale 7 sind bezüglich der Drehachse L₁ der Drehwelle 3 an den tiefsten Lagen angeordnet und die Mittenachse L₂ der Lagerbuchse 6 ist ebenfalls an der tiefsten Lage.
Wenn sich die Drehwelle 3 dreht, dreht sich die Exzenterwelle 4 in 5 im Uhrzeigersinn zusammen mit der Lagerbuchse 6. Wenn die Mittenachse L₂ der Lagerbuchse 6 entsprechend der Drehung der Exzenterwelle 4 um 180° in die höchste Lage kommt, greifen die vorderen Enden der Zapfen 12 bis 15 in die obersten Bereiche der Löcher 10a und die hinteren Enden der Zapfen 12 bis 15 greifen in die untersten Bereiche der Löcher 11a, wie in 6 gezeigt ist.
Die Ansätze 10, 11 und die zugeordneten Zapfen 12 bis 15 bleiben in Eingriff miteinander, selbst wenn sich die Lage der Exzenterwelle 4 fortlaufend ändert. Folglich macht die bewegliche Spirale 7 ihre Umlaufbewegung mit einem vorbestimmten Radius (der Abstand zwischen den Achsen L₁ und L₂), während ihre Drehung verhindert ist.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die innere Schicht 18 der Nickel-Phosphor-Legierung, die eine hervorragende Haftkraft auf dem Aluminiumlegierungsbasismetall hat, auf der Oberfläche der beweglichen Spirale 7 ausgebildet. Die äußere Schicht 19, die eine hervorragende Haftkraft auf der inneren Schicht 18 hat und deren Steifigkeit größer ist als die der inneren Schicht 18, ist auf der Oberfläche der inneren Schicht 18 ausgebildet. Dieser Aufbau verbessert den Abziehwiderstand der Verbundplattierschicht M und verbessert ebenso den Verschleißwiderstand gegen die Gleitbewegung zwischen der beweglichen Spirale 7 und der festen Spirale 1.
Wenn fehlerhaft Risse auf der äußeren Schicht 19 entstehen, kann im einzelnen die Fortpflanzung auf die innere Schicht 18, die eine geringere Steifigkeit hat, aufgrund ihrer geringeren Steifigkeit unterdrückt werden. Entsprechend ist eine verbesserte Haltbarkeit erreicht. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Verbundschicht M mit hohem Abziehwiderstand und Verschleißwiderstand auf der beweglichen Wand 7d ausgebildet. Entsprechend kann stabiler Gleitbetrieb zwischen den Druckaufnahmeelementen 9b des Rings 9 und der beweglichen Wand 7d für eine lange Zeitdauer garantiert werden und die Haltbarkeit des Elements 9b und der Wand 7d kann verbessert werden.
Da in diesem Ausführungsbeispiel die Dicke T₁ der äußeren Schicht 19 auf einen kleineren Wert gesetzt ist als die Dicke T₂ der inneren Schicht 18, kann weiterhin der Abziehwiderstand verbessert werden. Der Abziehwiderstand wurde ausgewertet, indem die Abziehfestigkeit von beiden Schichten 18, 19 gemessen wurde, während die Dicke jeder Schicht im Bereich von 0 bis 25 μm oder von 0 bis 20 μm verändert wurde, wie in 7 gezeigt ist. Die Ergebnisse sind ebenfalls in 7 gezeigt. Es ist aus 7 offensichtlich, dass der Abziehwiderstand wie durch „ʘ„ gezeigt verbessert ist, wenn die Dicke T₁ der äußeren Plattierschicht 19 auf einen kleineren Wert gesetzt ist als die Dicke T₂ der inneren Plattierschicht 18. In 7 zeigt „0" einen guten Abziehwiderstand, „Δ" zeigt einen geringfügig schlechten Abziehwiderstand, und „X" zeigt einen schlechten Abziehwiderstand.
Die Erfindung ist nicht auf das zuvor beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern kann in den folgenden spezifischen Formen ausgeführt werden.

(1) Die Verbundplattierschicht M kann auf der festen Wand 2a des Frontgehäuses 2 ausgebildet werden.
(2) Die Verbundschicht M kann auf der festen Spirale ausgebildet werden.
(3) Während die innere Plattierschicht 18 aus Nickel-Phosphor (Ni-P) gebildet ist, kann die äußere Plattierschicht 19 aus Nickel-Phosphor-Silikon-Nitrid(Ni-P-Si₃N₄)-Legierung, Nickel-Phosphor-Bor-Nitrid(Ni-P-BN)-Legierung oder Nickel-Phosphor-Kobalt(Ni-P-Co)-Legierung hergestellt sein. Die innere Plattierschicht 18 kann weiterhin Kobalt (Co) enthalten.

Claims

Spiralkompressor mit einem bewegbaren Element (7), das auf einem festen Element (1) gleitet, wobei das bewegliche Element (7) aus einer Aluminiumlegierung mit einer Beschichtung hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine innere Schicht (18) das bewegliche Element (7) bedeckt, die aus einer Nickel-Phosphor(Ni-P)-Legierung hergestellt ist, und eine äußere Schicht (19) vorgesehen ist, die die innere Schicht (18) bedeckt und das feste Element (1) berührt, wobei die äußere Schicht (19) aus einer Nickel-Phosphor-Silizium-Nitrid(Ni-P-5i₃-N₉)- oder Nickel-Phosphor-Bor-Nitrid (Ni-P-BN)- oder Nickel-Phosphor-Kobalt (Ni-P-Co)-Legierung hergestellt ist, wobei beide Schichten (18, 19) durch Plattieren hergestellt sind.
Spiralkompressor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Schicht (18) dicker als die äußere Schicht (19) ist.
Spiralkompressor gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Schicht (19) eine größere Härte als die innere Schicht (18) aufweist.
Spiralkompressor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Schicht (18) weiterhin Kobalt enthält.
Spiralkompressor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Element (7) durch eine auf einer Welle (3) montierte Spirale gebildet wird, die exzentrisch auf der Welle (3) montiert ist, um eine Umlaufbewegung um die Achse der Welle (3) ohne eine Drehung um die Achse der Spirale durchzuführen, wobei das feste Element (1) durch eine feste Spirale gebildet wird, auf der die bewegliche Spirale gleitet, um fortlaufend ein Volumen einer zwischen den beiden Spiralen gebildeten Kompressionskammer (P) zu verringern, wodurch Kühlgas in der Kompressionskammer (P) komprimiert wird.